고성능 원통형 고체산화물 연료전지용 셀{High performance tubular solid oxide fuel cell}

본 발명은 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내부 중공부에 복수 개의 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀을 더 포함하여 전류밀도를 향상시킬 수 있는 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀에 관한 것이다.

최근 에너지 자원의 고갈과 에너지 수요의 증가에 따른 화석연료의 연소로 인한 환경오염이 심각해짐에 따라 연료전지와 같은 대체 에너지에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, 여러 종류의 연료전지 중 고체산화물 연료전지는 전극 및 전해질이 고체의 세라믹으로 되어있어 가장 안정성이 높으며 고효율, 환경친화적인 에너지로 알려져 있어 그 중요성이 매우 크다.

또한, 고체산화물 연료전지는 고온의 작동온도로의 빠른 승온에 따른 열충격에 강하며 높은 시스템 전력밀도를 가져 복합발전뿐만 아니라 휴대용 혹은 소형 이동 기기의 전원으로의 적용이 가능하다.

일반적으로 고체산화물 연료전지는 단위전지의 형태에 따라 평판형과 원통형의 두 가지 형태로 나눌 수 있는데, 이 중에 원통형은 평판형에 비해 효율성에서 다소 부족하지만 전극에서의 빠른 전기 부하의 반복이나 고온의 작동온도에 적합하고 반응기체의 밀봉이 용이하다는 장점이 있다.

원통형 SOFC의 대표적인 형태로는 미국 Siemens-Westinghouse사의 압출공정에 의하여 제조된 양극 지지체에 슬러리 코팅(slurry coating) 혹은 EVD(electrochemaial Vapor Deposition, 전기화학 증착법) 및 플라즈마 코팅(plasma coating)공정에 의하여 전해질, 음극, 연결재가 코팅된 구조를 갖는 형태와 압출공정에 의하여 제조된 원통형의 음극 지지체에 전해질 및 양극이 슬러리 코팅 등의 습식공정에 의하여 코팅 소결된 구조를 갖는 형태로 이루어져 있다.

또한, 일반적인 슬러리 코팅(slurry coating) 혹은 EVD(electrochemaial Vapor Deposition, 전기화학 증착법) 및 플라즈마 코팅(plasma coating)을 이용한 고체산화물 연료전지의 작동온도는 600-850 ℃ 정도의 고온으로 이는 전극의 치밀화와 전지의 구성물질 간의 확산 등의 요인으로 인한 성능저하의 원인이 되어 단일 전지나 중/대형의 시스템에만 적용되어 진다는 한계점이 있다.

이로 인해, 고온안정성이 뛰어난 고가의 세라믹 재료가 요구되어 고체산화물 연료전지의 작동온도 저하는 저가형 원통형 고체산화물 연료전지의 제조에 주요한 인자로써 여겨지고 있다.

또한, 원통형 고체 산화물 연료전지는 자체 밀폐기능이 있어 밀봉재가 필요치 않고, 열적으로 안정하다는 장점이 있지만 판상형에 비해 전류 경로가 길고 상호연결이 비효율적이기 때문에, 성능, 특히 전류 밀도면에서 판상형에 비해 떨어진다. 이 때문에 원통의 지름을 작게 만들고 전극, 전해질의 두께를 얇게 가져간 마이크로 원통형 연료전지에 대한 연구개 진행되고 있지만 이 경우 대규모로 적층시 기계적 강도 문제 때문에 적층할 수 있는 높이에 한계가 존재한다. 일예로 원통형 고체산화물 연료전지를 가장 활발히 연구한 Siemens-Westinghouse사의 경우 22 mm의 지름과 2.3 ㎜ 두께를 표준으로 하여 대규모 적층시에 생길 수 있는 균열 및 표면 파괴를 방지하고 있다, 그러나, 일본 AIST에서 연구한 마이크로 원통형 고체산화물 연료전지의 경우, 0.8 ㎜의 지름과 100 ㎛의 두께를 가지는 수준으로 기술이 발전하였기 때문에 이를 대규모로 적층할 방법을 찾아낸다면 원통형 고체산화물 연료전지도 판상형 고체산화물 연료전지 이상의 전류밀도를 지닐 수 있다.

한국공고특허 제10-0261897호에는 고체산화물 전해질 전기화학 전지용의 얇은 관형자체-지지전극에 관한 것으로 전기 화학 전지의 고체 산화물 전해질과의 우수한 열팽창 정합 및 적당하게 낮은 전기 저항을 갖는 전기 화학 전지용 자체 지지되는 도핑된 아망간산 란탄 공기 전극, 및 이러한 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.

그러나, 종래기술의 고체산화물 연료전지 및 제조방법은 압출공정을 통하여 양극(혹은 음극) 지지체 튜브를 제조하고, 지지체 튜브의 표면에 슬러리 코팅 혹은 전기화학 증착법(EVD), 플라즈마 코팅 등의 공정을 이용하여 음극(음극지지체의 경우 양극) 및 전해질 층을 형성하는 공정이 복잡하고 고단가의 코팅공정이 수행되므로, 경제적 측면에서 많은 비용이 소요되는 문제점을 가지고 있다.

또한, 한국공개특허 제2011-0062882호에는 표면에 다수의 돌출부가 형성된 원통형상을 갖는 연료극을 갖는 고체 산화물 연료전지가 기재되어 있다.

그러나, 원통형 고체 산화물 연료전지는 전류경로가 길고 상호연결이 비효율적이며, 성능, 특히 전류 밀도가 낮은 문제점을 가지고 있다.

따라서, 원통형 고체 산화물 연료전지로서, 열적으로 안정하면서도 전류밀도를 극대화할 수 있는 원통형 고체 산화물 연료전지의 개발이 필요하다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 내부에 복수 개의 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀을 포함함으로써 열적으로 안정하면서도 전류밀도를 극대화할 수 있는 원통형 고체 산화물 연료전지를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,

내부에 중공부를 갖는 원통형의 공기극;을 지지체로 하고, 상기 공기극의 외주면에 전해질;과 연료극;이 순차적층된 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀로서,

상기 중공부에는 복수 개의 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀을 포함하고,

상기 복수 개의 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀은 상기 고체 산화물 연료전지용 셀과 동일한 방향으로 일렬로 삽입되어 엔드 플레이트로 고정되어 집전되는 것을 특징으로 하는 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 직경은 1.5-3 ㎝이고, 길이는 130-200 ㎝이며, 공기극, 전해질 및 연료극의 총 두께는 2-10 ㎜일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀은 원통형의 연료극을 지지체로 하고, 상기 연료극의 외주면에 전해질과 공기극이 순차적층되어 있고, 상기 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 전체 직경은 0.5-3.0 ㎜일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 엔드 플레이트는 복수 개의 홀을 포함하는 부재와 복수 개의 볼록부를 부재로 이루어져 있고,

상기 복수 개의 홀에는 상기 복수 개의 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 한쪽 말단이 삽입되어 고정되고,

상기 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 다른 쪽 말단의 중공부 내에는 상기 복수 개의 볼록부가 삽입될 수 있다.

또한, 본 발명은 내부에 중공부를 갖는 원통형의 연료극;을 지지체로 하고, 상기 연료극의 외주면에 전해질;과 공기극;이 순차적층된 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀로서,

상기 중공부에는 복수 개의 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀을 포함하고,

상기 복수 개의 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀은 상기 고체 산화물 연료전지용 셀과 동일한 방향으로 일렬로 삽입되어 엔드 플레이트로 고정되어 집전되는 것을 특징으로 하는 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 외부 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 직경은 1.5-3 ㎝이고, 길이는 130-200 ㎝이며, 연료극, 전해질 및 공기극의 총 두께는 2-10 ㎜일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀은 공기극을 지지체로 하고, 상기 공기극의 외주면에 전해질과 연료극이 순차적층되어 있고, 직경은 0.5-3.0 ㎜일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 엔드 플레이트는 복수 개의 홀을 포함하는 부재와 복수 개의 볼록부를 부재로 이루어져 있고,

상기 복수 개의 홀에는 상기 복수 개의 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 한쪽 말단이 삽입되어 고정되고,

상기 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 다른 쪽 말단의 중공부 내에는 상기 복수 개의 볼록부가 삽입될 수 있다.

본 발명에 따른 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀에 의하면, 내측의 중공부에 복수 개의 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀을 더 포함함으로써 전류밀도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀을 나타낸 도면이다.
도 3(a)는 본 발명에 따른 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀을 나타낸 단면도이다.
도 3(b)는 홀(111)을 포함하는 엔드 플레이트(110)를 나타내는 도면이다.
도 3(c)는 복수 개의 볼록부(113)를 포함하는 엔드 플레이트(112)를 나타내는 도면이다.
도 4는 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 양 말단이 서로 다른 종류의 엔드 플레이트와 결합하여 집전된 것을 나타낸 단면도로서, 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 한 말단은 홀을 포함하는 엔드 플레이트에 삽입되고, 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 다른 말단은 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 중공부 내로 볼록부를 포함하는 엔드 플레이트의 볼록부가 삽입된 것을 나타낸 것이다.
도 5은 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 SEM 사진이다.

이하, 상술한 바와 같은 본 발명의 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 단면도이다. 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 원통형의 공기극(103)을 지지체로 하고, 그 외주면에 전해질(102)과 연료극(101)이 순차적층된 고체산화물 연료전지용 셀에 있어서, 상기 원통형의 고체 산화물 연료전지용 셀(100)은 상기 공기극(103)의 내부에 중공부(107)를 가지고, 상기 중공부(107)에는 복수 개의 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(108)이 삽입되며, 외부에 위치하는 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(이하, 외부 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀이라 칭함.)(109)의 공기극(103)의 내부에 상기 복수 개의 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀이 엔드 플레이트(110)로 고정되게 설치함으로써 연료전지의 전류밀도를 크게 향상시킨다.

본 발명에 따른 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(100)은 외부 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(109)의 중공부(107)의 내부에 복수 개의 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(108)을 포함하고, 상기 외부 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(109)의 중공부(107)에 상기 복수 개의 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(108)이 상기 외부 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(109)과 동일한 방향으로 일렬로 배치되어 엔드 플레이트(110, 111)로 고정되어 집전되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하나의 바람직한 일례로서, 상기 외부 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(109)은 원통형이며 표면으로부터 연료극/전해질/공기극의 순서로 적층되고, 공기극(103)의 내부에 중공부(107)가 존재하고, 상기 중공부(107)에는 복수 개의 마이크로 고체 산화물 연료전지용 셀(108)이 상기 외부 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(109)과 동일한 방향으로 삽입될 수 있다.

본 발명의 다른 바람직한 일례로서, 상기 외부 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀은 원통형이며 표면으로부터 공기극/전해질/연료극의 순서로 적층되고, 연료극의 내부에 중공부가 존재하고, 상기 중공부에는 복수 개의 마이크로 고체 산화물 연료전지용 셀이 상기 외부 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀과 동일한 방향으로 삽입될 수 있다.

상기 외부 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(109)의 직경은 1.5-3 cm이고, 길이는 130-200 cm이며, 공기극/전해질/연료극의 총 두께는 2-10 mm일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(108)은 연료극/전해질/공기극이 임의대로 적층하여 이루어지고, 직경은 0.5-3.0 mm이며, 상기 연료극은 특별히 한정이 없고, NiO-Gd 도핑된 세리아(이하, LSCF라 칭하기도 함) 등으로 이루어질 수 있고, 전해질은 특별히 한정이 없고, NiO-Gd 도핑된 세리아(ceria) 등으로 이루어질 수 있으며, 상기 공기극은 특별히 한정이 없고, (La, Sr)(Fe, Co)O ₃ 등으로 이루어질 수 있다.

상기 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(108)의 상기 연료극, 전해질 및 공기극은 상기 물질 이외에 고체 산화물 연료전지용 셀에 사용되는 통상의 물질, 예를 들면, 바인더, 분산제, 및 용매 등을 통상의 사용량으로 사용할 수 있다.

바람직한 하나의 구체예로서, 상기 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(108)의 제조방법은 하기와 같다.

NiO-Gd 도핑된 세리아(GDC) 튜브를 외경 1 mm를 형성가능한 다이(die)를 통하여 플라스틱 매스로부터 사출 성형하고, 상기 매스를 바인더인 NiO 파우더, GDC 파우더 및 셀룰로오스와 혼합하며, 물로 1-2 시간 동안 혼합한 후, 하루 밤 동안 놓아둔다. 그런 다음, 진공상태에서 10-30 분 동안 챔버를 혼합하여 공기를 제거하고, 이어서 상기 튜브를 내부 디자인된 다이로 램 압출기를 사용하여 매스로부터 압출성형한다. 그런 다음, 상기 압출성형된 튜브를 건조한 후, 원하는 길이로 절단하고 GDC 파우더, 바인더, 분산제 및 용매로 이루어지는 전해질용 GDC 슬러리에서 딥-코팅시킨다. 그런 다음, 상기 코팅된 튜브를 공기 중에서 건조하고, 1200-1700 ℃에서 3-10 시간 동안 소결시키고, 이어서, 전해질과 함께 연료극 튜브를 LA _0.8 Sr _0.2 Co _0.6 Fe _0.4 O ₃ (LSCF) 및 GDC 파우더, 바인더, 분산제 및 용매로 이루어지는 공기극 슬러리에서 딥코팅하며, 상기 튜브를 공기 중에서 건조하고, 1 시간 동안 1000 ℃에서 소결시켜 셀을 완성한다.

상기와 같이 제조된 상기 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(108)의 SEM 사진은 도 5에 나타낸다.

상기 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀은 표면으로부터 공기극/전해질/연료극의 순서로 적층된 것이나, 이에 한정하지 않고, 본 발명에서는 상기 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀을 표면으로부터 연료극/전해질/공기극의 순서로 적층이 가능하다.

상기 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 제조방법에 있어서, 상기 바인더로는 특별히 한정이 없고, 예를 들면 폴리비닐부티랄 등이 있고, 상기 분산제로는 특별히 한정이 없고 피쉬 오일(fish oil) 등이 있으며, 상기 용매는 특별히 한정이 없고, 예를 들면 톨루엔 및 에탄올 등이 있다.

본 발명에 있어서, 상기 외부 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(109)이 공기극을 지지체로 하고, 표면으로부터 연료극/전해질/공기극의 순서로 적층되어 있을 경우에는 상기 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀은 연료극을 지지체로 하고, 표면으로부터 공기극/전해질/연료극의 순서로 적층되는 것이 바람직하다.

또한, 외부 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀이 연료극을 지지체로 하고, 표면으로부터 공기극/전해질/연료극의 순서로 적층되어 있을 경우에는 상기 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀은 공기극을 지지체로 하고, 표면으로부터 연료극/전해질/공기극의 순서로 적층되는 것이 바람직한데, 이는 엔드 플레이트(110, 112)가 집전 역할을 하기 때문에 원통형 고체산화물 연료전지용 셀의 연료극은 연료극끼리, 공기극은 공기극끼리 만나야 하기 때문이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 내부에 존재하는 상기 복수 개의 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(108)은 상기 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 중공부의 내부에서 엔드 플레이트(110, 112)로 고정될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 엔드 플레이트(110, 112)는 상기 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀을 고정시켜 집전하기 위하여 사용되는 것으로, 상기 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 양 말단에 서로 다른 종류의 엔드 플레이트(110, 112)를 고정시킬 수 있다.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의하면, 엔드 플레이트는 복수 개의 홀을 포함하는 엔드 플레이트와 복수 개의 볼록부를 포함하는 엔드 플레이트로 구성되고, 상기 마이크로 고체 산화물 연료전지용 셀의 한쪽 말단은 엔드 플레이트의 홀에 삽입되어 고정되고, 상기 마이크로 고체 산화물 연료전지용 셀의 다른 쪽 말단의 중공부 내로 상기 엔드 플레이트의 복수 개의 볼록부가 삽입될 수 있다.

상기 엔드 플레이트는 하나는 복수 개의 홀(111)을 포함하는 엔드 플레이트(110)와 다른 하나는 복수 개의 볼록부(113)를 포함하는 엔드 플레이트(112)로 구성되고, 상기 마이크로 고체 산화물 연료전지용 셀의 한쪽 말단은 엔드 플레이트의 홀(111)에 삽입되어 고정될 수 있고, 상기 마이크로 고체 산화물 연료전지용 셀의 다른 쪽 말단은 상기 마이크로 고체 산화물 연료전지용 셀의 말단의 중공부 내로 상기 엔드 플레이트(112)의 복수 개의 볼록부(113)가 삽입되는 것이 바람직한데, 이는 엔드 플레이트(112)가 각각 마이크로 고체 산화물 연료전지의 연료극과 공기극 각각의 집전체로 쓰이기 때문이다.

도 3을 살펴보면, 도 3의 (b)는 복수 개의 홀(111)을 포함하는 엔드 플레이트(110)이고, 도 3의 (c)는 복수 개의 볼록부(113)를 갖는 엔드 플레이트(112)이다.

또한, 도 4를 살펴보면, 상기 마이크로 고체 산화물 연료전지용 셀의 한쪽 말단은 엔드 플레이트의 홀(111)에 삽입되고, 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 다른 말단은 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 중공부 내로 볼록부(113)를 포함하는 엔드 플레이트(112)의 볼록부가 삽입될 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(100)은 외부 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(109)의 중공부의 내부에 복수 개의 마이크로 고체 산화물 연료전지용 셀(108)을 포함함으로써 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀의 전류밀도를 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명의 바람직한 구체예로서, 0.8 ㎜의 외경과 길이 8 ㎜의 상기 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(108)은 성능이 약 70 ㎽를 나타내므로, 본 발명에 따른 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀 내에 상기 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀이 약 370 개가 삽입 가능하므로 본 발명에 따른 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀은 원통길이 1 ㎝ 당 34.8 W의 추가전력을 낼 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀은 외부 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀 내에 엔드 플레이트로 고정된 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀을 포함함으로써 전류밀도를 크게 향상시킬 수 있다.

100 : 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀
101 : 연료극 102 : 전해질
103 : 공기극 107 : 중공부
108 : 마이크로 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀
109 : 외부 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀
110 : 엔드 플레이트 111 : 엔트 플레이트 홀
112 : 엔드 플레이트 113 : 엔드 플레이트 볼록부